uClinux平臺下的Flash存儲技術(shù)

關(guān)鍵詞：Flash存儲技術(shù) uClinux平臺 S3C4510

1 Flash類(lèi)型與技術(shù)特點(diǎn)

Flash主要分為NOR和NAND兩類(lèi)。下面對二者作較為詳細的比較。

1.1 性能比較

Flash閃存是非易失存儲器，可以對存儲器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何Flash器件進(jìn)行寫(xiě)入操作前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作十分簡(jiǎn)單；而NOR則要求在進(jìn)行擦除前，先要將目標塊內所有的位都寫(xiě)為0。擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間為1～5s；擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執行相同的操作最多只需要4ms。執行擦除時(shí)，塊尺寸的不同近一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距。統計表明，對于給定的一套寫(xiě)入操作（尤其是更新小文件時(shí)），更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。因此，當選擇存儲解決方案時(shí)，設計師必須權衡以下的各項因素。

*NOR的讀取速度比NAND稍快一些。

*NAND的寫(xiě)入速度比NOR快很多。

*NAND的擦除速度遠比NOR快。

*大多數寫(xiě)入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

*NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

1.2 接口差別

NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內容的每一字節。

NAND器件使用復雜的I/O口來(lái)串行地存取數據，各個(gè)產(chǎn)品或廠(chǎng)商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數據信息。NAND的讀和寫(xiě)操作采用512字節的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤(pán)管理此類(lèi)操作。很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤(pán)或其它塊設備。

1.3 容量和成本

NAND Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半。由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價(jià)格。

NOR Flash占據了大部分容量為1～16MB的內存市場(chǎng)，而NAND Flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當中。

1.4 可靠性和耐用性

采用Flash介質(zhì)時(shí)，一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來(lái)說(shuō)，Flash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖陀眯裕?、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來(lái)比較NOR和NAND的可靠性。

（1）壽命（耐用性）

在NAND閃存中，每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是100萬(wàn)次，而NOR的擦寫(xiě)次數是10萬(wàn)次。NAND存儲器除了具有10：1的塊擦除周期優(yōu)勢外，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8位，每個(gè)NAND存儲器塊在給定時(shí)間閃的刪除次數要少一些。

（2）位交換

所有Flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下（很少見(jiàn)，NAND發(fā)生的次數要比NOR多），一個(gè)比特位會(huì )發(fā)生反轉或被報告反轉了。

一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障就可能導致系統停機。如果只是報告有問(wèn)題，多讀幾次就可能解決。

位反轉的問(wèn)題更多見(jiàn)于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。當然，如果用本地存儲設備來(lái)存儲操作系統、配置文件或其它敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統以確?？煽啃?。

（3）壞塊處理

NAND器件中的不壞塊是隨機分布的。以前做過(guò)消除壞塊的努力，但發(fā)現成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過(guò)可靠的方法不能進(jìn)行這項處理。將導致高故障率。

1.5 易用性

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，像其它存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠(chǎng)家而異。在使用NAND器件時(shí)，必須先寫(xiě)入驅動(dòng)程序，才能繼續執行其它操作。向NAND器件寫(xiě)入信息需要相當的技巧，因為設計師絕不能向壞塊寫(xiě)入，這就意味著(zhù)在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

1.6 軟件支持

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持。在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅動(dòng)程序，也就是閃存技術(shù)驅動(dòng)程序（MTD）。NAND和NOR器件在進(jìn)行寫(xiě)入和擦除操作時(shí)都需要MTD。使用NOR器件時(shí)，所需要的MTD要相對少一些。許多廠(chǎng)商都提供用于NOR器件的更高級的軟件，其中包括M-System的TrueFFS驅動(dòng)，該驅動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Sotrware System、Symbian和Intel等廠(chǎng)商所采用。驅動(dòng)還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿零點(diǎn)和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

目前，NOR Flash的容量從幾KB～64MB不等，NAND Flash存儲芯片的容量從8MB～128MB，而DiskonChip可以達到1024MB。

2 系統設計

Flash在每MB的存儲開(kāi)銷(xiāo)上較RAM要昂貴，但對于uClinux系統來(lái)說(shuō)，選擇Flash作為存儲器具有一定的優(yōu)勢。UClinux系統在上電后，需要運行的程序代碼和數據都可以存儲在Flash中，甚至放在CPU起始地址中的uClinux啟動(dòng)內核都可以寫(xiě)入Flash中。從一定意義上講，嵌入式系統只用Flash就可以完成所需的存儲功能。

Flash存儲器的分區較硬盤(pán)的分區更為簡(jiǎn)單，分區后的Flash使用起來(lái)更加方便。典型的Flash分區如下。

SEGMENT PURPOSE

0 Bootloader

1 factory configuration

2

┆ kernel

X

┆ root filesystem

Y

分區0放置Bootloader，分區1放置factory configuration，分區2到分區X放置系統內核，分區X到分區Y放置根文件系統。Flash的分區可以根據需要劃分，uClinux中支持Flash存儲器的塊設備驅動(dòng)負責定義上述的分區。

和PC機下的Linux不同，Flash的分區把系統內核文件和根文件系統單獨劃分到兩個(gè)分區中，而PC機的硬盤(pán)是把內核文件和根文件系統放在一個(gè)分區內。PC機下Linux的Bootloader是LILO或GRUB。它們在系統啟動(dòng)時(shí)能智能地在分區中找到內核文件塊，并把它加載到RAM中運行。對于Flash而言，把內核的鏡像文件寫(xiě)進(jìn)一個(gè)單獨的分區對嵌入式系統有兩大優(yōu)點(diǎn)：①系統可以直接在Flash上運行；②LILO或GRUB更易找到內核代碼并加載，甚至可以不用LILO或GRUB引導而直接運行。

內核文件和根文件系統在Flash中的放置，可以根據系統設計需要適當選擇。

3 引導程序選擇

系統啟動(dòng)之前的引導過(guò)程是CPU初始化的過(guò)程。包括ARM和X86在內的許多CPU是從固定地址單元開(kāi)始運行引導程序（Bootloader）的。其它的部分CPU是從某個(gè)地址單元讀入引導程序的入口地址，然后再運行引導程序，譬如M68K和Coldfire系列。所以這些都影響到Flash中系統啟動(dòng)代碼的存放地址。

系統首先要考慮的是在什么地址存放Bootloader，或者說(shuō)系統從哪個(gè)地址單元開(kāi)始加載運行系統內核代碼。

CPU啟動(dòng)后直接運行系統內核是可以實(shí)現的。對于uClinux來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)代碼必須包括芯片的初始化和RAM的初始化等硬件配置；同時(shí)加載內核的代碼段到RAM中，并清除初始化的數據段內容。盡管這些實(shí)現起來(lái)很直觀(guān)，但是要具體把啟動(dòng)代碼存放在Flash中正確的地址偏移單元內，使CPU一啟動(dòng)便能執行就比較困難了。不過(guò)，現在技術(shù)比較先進(jìn)的CPU都將默認的偏移地址設置為0，或者在偏移地址為0的附近存放起始地址。

Bootloader是一段單獨的代碼，用以負責基本硬件的初始化過(guò)程，并且加載和運行uClinux的內核代碼。作為系統啟動(dòng)工具，Bootloader經(jīng)過(guò)配置可以加載Flash中的多個(gè)內核，甚至可以通過(guò)串口和網(wǎng)口來(lái)加載內核和系統的鏡像到RAM中運行。Bootloader同時(shí)也提供對內核鏡像文件的多級別保護，這一點(diǎn)對于以Flash作為存儲設備的系統來(lái)說(shuō)非常重要。譬如，當系統進(jìn)行內核升級和重要數據備份時(shí)，系統突然掉電，正如PC機進(jìn)行BIOS刷寫(xiě)過(guò)程中的舊電一樣，都是災難性的。但是利用Bootloader就可以實(shí)現保護性的恢復。

目前運行在uClinux上的免費Bootloader有COLILO、MRB、PPCBOOT和DBUG。也有為特殊需求設計的SNAPGEAR和ARCTURUS NETWORKS。

4 uClinux的塊驅動(dòng)器

對于嵌入式系統的塊設備，可選擇存儲文件系統的塊驅動(dòng)器（Block Driver）主要有三種選擇。

①Blkmem driver。Blkmem driver仍是uClinux上使用最普通的Flash驅動(dòng)器。它是為uClinux而設計的，但是它的結構相對比較簡(jiǎn)單，并且僅支持NOR Flash的操作，需要在RAM中建立根文件系統。同時(shí)它也很難配置，需要代碼修改表來(lái)建立Flash分區。盡管如此，它還是提供了最基本的分區擦/寫(xiě)操作。

②MTD driver。MTD driver是Linux下標準的Flash驅動(dòng)器。它支持大多數Flash存儲設備，兼有功能強大的分區定義和映像工具。借用交叉存取技術(shù)（interleaving），MTD driver甚至可支持同一系統中不同類(lèi)型的Flash，Linux內核中關(guān)于MTD driver配置有較為詳細的選擇項。

③RAM disk driver。在無(wú)盤(pán)啟動(dòng)的標準Linux中，用得最多的就是RAM disk driver；但它不支持底層的Flash存儲器，僅對根文件系統的建立有意義，即根文件系統壓縮以后存放在Flash的什么地方。

通過(guò)上面的比較可以看到，MTD driver提供對Flash最有力的支持同，同時(shí)它也支持在Flash上直接運行文件系統，譬如JFFS和JFFS2，而B(niǎo)1kmem driver則不支持。

5 根文件系統

uClinux中的文件系統可以有多種選擇。通常情況下，ROMfs是使用最多的文件系統，它是一種簡(jiǎn)單、緊湊和只讀的文件系統。ROMfs順序存儲文件數據，并可以在uClinux支持的存儲設備上直接運行文件系統，這樣可以在系統運行時(shí)節省許多RAM空間。

Cramfs是針對Linux內核2.4之后的版本所設計的一種新型文件系統，也是壓縮和只讀格式的。它主要的優(yōu)點(diǎn)是將文件數據以壓縮形式存儲，在需要運行的時(shí)候進(jìn)行解壓縮。由于它存儲的文件形式是壓縮的格式，所以文件系統不能直接在Flash上運行。雖然這樣可以節約很多Flash存儲空間，但是文件系統運行需要將大量的數據拷貝進(jìn)RAM中，消耗了RAM空間。

考慮到多數系統需要能夠讀/寫(xiě)的文件系統，可以使用MTD driver的JFFS和JFFS2日志式文件在Flash頭部建立根文件系統（Root Filesystem）。日志式文件系統可以免受系統突然掉電的危險，并且在下一次系統引導時(shí)不需要文件系統的檢查。由于JFFS和JFFS2文件格式是特別為Flash存儲器設計的，二者都具一種稱(chēng)為“損耗平衡”的特點(diǎn)，也就是說(shuō)Flash的所有被擦寫(xiě)的單元都保持相同的擦寫(xiě)次數。利用這些特有保護措施，Flash的使用周期得到相當大的提升。JFFS2使用壓縮的文件格式，為Flash節省了大量的存儲空間，它更優(yōu)于JFFS格式在系統中使用。值得注意的是，使用JFFS2格式可能帶來(lái)少量的Flash空間的浪費，這主要是由于日志文件的過(guò)度開(kāi)銷(xiāo)和用于回收系統的無(wú)用存儲單元，浪費的空間大小約是兩個(gè)數據段。

如果使用RAM disk，一般應選擇EXT2文件格式，但EXT2并不是一塊特別高效的文件存儲空間。由于存在RAM disk上，所以任何改變在下一次啟動(dòng)后都會(huì )丟失。當然，也有許多人認為對嵌入式存儲空間來(lái)講，這是一種優(yōu)勢，因為每次系統啟動(dòng)都是從已知的文件系統狀態(tài)開(kāi)始的。

雖然在Linux下有許多的文件格式可供選擇，但是對于uClinux一般只選擇上述的幾種文件格式。另外一點(diǎn)就是如何在目標系統上建立根文件系統，步驟如下：首先在開(kāi)發(fā)宿主機上建立一個(gè)目標機的根文件系統的目錄樹(shù)，然后利用嵌入式根文件系統生成工具在宿主機上生成目錄樹(shù)的二進(jìn)制文件鏡像，最后下載到目標機上就可以了。對于不同的文件格式有不同的二進(jìn)制鏡像生成工具，譬如JFFS的mkfs.jffs2、ISO9660的mkisofs。